CN110726317B - 一种有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，包括脉动热管、压电陶瓷片、超声波发生器，压电陶瓷片设于脉动热管表面；包括温差发电片、DC‑DC变换器，导热板和指示灯电路温差发电片通过DC‑DC变换器与超声波发生器电性连接；脉动热管蒸发段嵌入导热板内，导热板一面贴于待散热元器件，另一面贴设温差发电片，温差发电片的另一面与空气接触；指示灯电路的电磁继电器与温差发电片电性连接，可用于对元器件结点温度进行预警，以便对元器件进行保护。本发明利用脉动热管进行温差发电，驱动压电陶瓷片工作，压电陶瓷发出的超声波产生的空化效应，可强化脉动热管的传热性能。由于温差发电自供，可灵活适用于各类半导体元器件散热的场合。
Description
技术领域
本发明属于脉动热管技术领域，具体涉及一种带有温差发电模块、温度预警模块和超声波发生模块的脉动热管散热器。
背景技术
随着半导体科技的不断发展，半导体芯片和半导体功率器件都逐渐趋向于高集成化，导致功率密度的逐步增大。功率密度的增大造成元器件的热流密度大幅增加。为保证元器件的正常工作，必须保证元器件温度在一定范围内，这对散热手段提出了更高的要求。脉动热管作为一种高效的散热器由于具有结构简单，成本低，适应性好且传热能力较高等优点，目前受到广泛的关注。脉动热管由一根长的毛细管弯折而成，形成若干个弯头。工作前，将脉动热管内部抽真空并充入部分工作流体。工作流体在毛细力和重力的作用下在脉动热管内形成气塞和液塞间隔分布的形式。工作时，脉动热管蒸发段与元器件贴合，蒸发段内液体受热蒸发，气塞膨胀，推动工作流体向冷凝段流动。工作流体在冷凝段中冷凝，气塞收缩，液体回流到蒸发段。由于脉动热管蒸发段与冷凝段之间的不平衡压差，工作流体在脉动热管内部形成振荡运动，将热量从蒸发段传递到冷凝段。虽然脉动热管传热能力较高，但其在低功率下存在温度波动较大，蒸发段处温度不均匀性较大的问题。在实际应用中，容易产生局部分的热点，造成元器件的失效，这限制了脉动热管的实际应用。
温差发电片是一种半导体器件，在工作时，热端和冷端的温差使得温差发电片内产生塞贝克效应。塞贝克效应是指不同材料的半导体组成的闭合线路中，如果保持两种半导体的温度不同，两个半导体之间会产生接触电动势，同时闭合线路中由电流通过。温差发电片产生的电动势与两种半导体的温差有关，电动势随着温差的增大而增大。
超声波是一种频率高于20kHz的声波，可对流体产生空化效应，使流体内部产生小气泡，有助于强化流体的流动传热。其中，空化效应是指存在于液体中的微小气泡在超声波的作用下振动，生长，当声压达到一定值时，气泡迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波。气泡在超声波作用下发生的生长，闭合和振荡的动力学过程称为超声波空化。超声波引起空化效应一般采用的频率范围时20-40kHZ。
研究人员提供了一些可以使用超声波来强化脉动热管的设计，如专利CN201210093767.4提供了一种侧面固定有电控压电陶瓷块的板式脉动热管传热系统，专利CN201210097001.3提供了一种套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，这两个专利利用板式或套式结构将可以产生超声波的电控压电陶瓷块固定于脉动热管上。这类设计可以实现用超声波来强化脉动热管的传热，但需要指出的是，这两个设计都需要专门设有电源对电控压电陶瓷块供电，在实际应用中需要应用场合额外提供电源，具有一定的使用局限性。
此外，也有一些研究人员提供了一些将温差发电与脉动热管结合的设计，如专利CN107947638A公开了一种基于双脉动热管的太阳能温差发电装置，采用双脉动热管，能够保证温差发电片两侧始终具有较高的温差，热响应快，传热效率高；利用相变储热材料存储太阳能集热器吸收的热能，储热的同时避免了温度分布不均以及热量导出时接触面积小等问题。专利CN107592035A公开了一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，利用尾气余热加热脉动热管单元的冷却端，使升温的脉动热管单元的冷却端作为温差发电装置的热源，进而将尾气余热转换为电能。这两种设计都利用脉动热管来进行太阳能集热能量回收和余热回收，为温差发电提供能量来源，其核心本质还是温差发电装置，并未对脉动热管的传热性能进行强化。
发明内容
为解决上述现有技术存在的脉动热管用于半导体元器件散热时的各种局限，例如脉动限制、启动困难、需要外部电源、传热性能不佳等，本发明提供一种有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，提高脉动热管本身使用的广泛性与便携性，在无需使用额外提供电源的条件下强化和控制脉动热管的脉动流动及传热；同时，还可对元器件结点温度进行监测，避免结点温度过高损坏元器件的性能。
为解决上述问题，本发明提出以下技术方案：
一种有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，包括脉动热管、压电陶瓷片和超声波发生器，压电陶瓷片设于脉动热管的表面；还包括温差发电片、DC-DC变换器，导热板，指示灯电路；温差发电片通过DC-DC变换器与超声波发生器电性连接；温差发电片与指示灯电路电性连接；热管包括冷凝段、绝热段和蒸发段，脉动热管的蒸发段嵌入导热板内，导热板的一面贴设于待散热元器件，另一面贴设温差发电片，温差发电片的另一面与空气接触。
作为本发明的优选方案之一，压电陶瓷片为多个，分别固设于脉动热管的冷凝段、绝热段和蒸发段的表面一侧或表面两侧。
作为本发明的优选方案之一，所述温差发电片的另一面设有散热片，散热片包括多根肋片，温差发电片的两面均设有导热硅胶。
作为本发明的优选方案之一，所述导热板内形成有多个凹槽，脉动热管的蒸发段设于相应凹槽内。
作为本发明的优选方案之一，所述指示灯电路包括电磁继电器和指示灯，电磁继电器与超声波发生器并联，电磁继电器与温差发电片电性连接，并根据温差发电片的电动势控制电磁继电器的吸合，根据电磁继电器的吸合控制指示灯的开启或关闭。
作为本发明的优选方案之一，还包括水箱，脉动热管的冷凝段设于水箱内，水箱内填充冷却水，当指示灯开启时，增加冷却水流量或降低冷却水进口温度，以提升脉动热管的冷凝效果。
作为本发明的优选方案之一，所述脉动热管的结构为开式或闭式，形状为板式或管式；所述的脉动热管的弯头为单弯头或者多弯头。
作为本发明的优选方案之一，所述脉动热管的内部工质液体为水、甲醇、乙醇、氟利昂或纳米流体、微囊流体、磁流体中的任一种。
作为本发明的优选方案之一，所述温差发电片的材质为半导体或半导体合金，结构为板式或套式。
作为本发明的优选方案之一，所述压电陶瓷片的材质为钛酸钡系、锆钛酸铅二元系、钙钛矿三元系，四元系或偏铌酸盐系中的任一种，所述压电陶瓷片的结构为板式或套式。
本发明的优点和积极效果是：(1)利用脉动热管工作时的蒸发段温度与环境温度进行温差发电，用来驱动压电陶瓷片工作，压电陶瓷发出的超声波产生的空化效应，可以强化脉动热管的传热性能，降低脉动热管的启动功率。这种一体式脉动热管散热器，对半导体电子器件进行散热时，无需额外供电，安装使用均很方便。(2)在使用微米流体、纳米流体的脉动热管中，由于脉动热管的管径很细，微米尺度，纳米尺度的固体颗粒容易产生沉淀，从而堵塞管道，超声波的超声作用可以使液体产生震荡，从而避免纳米尺度的固体颗粒在使用时沉淀堵塞管道。(3)在元器件工作时，能够通过指示灯的开关指示元器件的结点温度是否超过了安全值，以对脉动热管冷凝段的散热条件进行调节，将元器件的结点温度控制在安全工作温度以下，保证元器件的正常工作。
附图说明
图1为本发明所述超声波脉动热管散热器结构示意图；
图2为本发明所述超声波脉动热管散热器的蒸发段截面图；
图3为本发明所述超声波脉动热管散热器的冷凝段截面示意图。
1-脉动热管；2-温差发电片；21-散热片；22-导热硅胶；3-DC-DC变换器4-超声波发生器；5-压电陶瓷片；6-导热板；7-指示灯电路；8-水箱，81-进水管，82-出水管；11-冷凝段；12-绝热段；13-蒸发段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1、图2所示，本实施例所述有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，包括脉动热管1，温差发电片(TEG)2，DC-DC变换器3，超声波驱动电路4，压电陶瓷片(UW)5和导热板6，脉动热管1自上而下设有冷凝段11，绝热段12，蒸发段13。
脉动热管的蒸发段13嵌入导热板6的凹槽内，导热板6的一面与半导体元器件接触，另一面贴设温差发电片2，温差发电片2的另一面与通过散热片21与空气接触，两面均设有导热硅胶22，半导体元器件的热量由导热板6传递至蒸发段13和温差发电片2的一面，从而实现了半导体元器件的高效散热，同时，由于温差发电片2的两面温度不同，可形成一定的温差以进行发电，实际工作中电子元器件的温度可达60℃以上，温差发电片两侧的温差可达几十摄氏度，温差发电效率较高。
温差发电片2产生的直流电经过DC-DC转换器3转换形成更加稳定的电压，用以驱动超声波发生器4，来控制和调节压电陶瓷片5上施加的电压和频率。可调电压的范围为0～40V，施加的电压频率范围为1kHz～1000kHz。在脉动热管的冷凝段11，绝热段12和蒸发段13的表面一侧或两侧均贴有压电陶瓷片5，压电陶瓷5发出的超声波产生的空化效应，强化脉动热管1的传热与流动性能，降低脉动热管1的启动功率。
本实施例所述超声波脉动热管散热器为一体式，无需外部提供电源，即可保证对半导体元器件的高效散热，相比于传统脉动热管散热，空化效应使得脉动热管的传热性能强化，蒸发段13的吸热效果更佳；同时，由于温差发电片本身具备一定的导热热阻，传统温差发电装置将温差发电片设于导热板与热管之间，增加了传热总热阻，而本实施例将温差发电片的一面接触导热板6，另一面直接接触空气，或者通过带有肋片的散热片21接触空气，在保证半导体元器件充分散热的前提下实现温差发电，因此，元器件散热效果和温差发电效果均更佳。
为进一步提高脉动热管的性能，本实施例采用微米流体或纳米流体作为脉动热管工质，超声波的震荡作用可以有效抑制微米颗粒，纳米颗粒的沉积堵塞管道。
如图3所示，脉动热管1的冷凝段11设于水箱8内，水箱8内通有冷却水，脉动热管内工质在冷凝段通过对流和冷凝放热，将热量从蒸发段传递到冷凝段。
本实施例所述超声波脉动热管散热器还包括指示灯电路7，指示灯电路7包括电磁继电器和指示灯，电磁继电器的吸合电压与温差发电片在发热元器件的最大安全工作温度下产生的电势差值对应。电磁继电器与超声波发生模块并联，当电势差值达到继电器的吸合电压时，电磁继电器工作，指示灯亮。当观察到指示灯亮时，说明元器件的结点温度过高，可通过增大水箱8内冷却水流量、降低冷却水入口温度或调节元器件的工作负荷降低元器件的结点温度，保护元器件不受损坏。实际使用中，水箱8设有进水管81和出水管82，进水管81设有电磁阀或水泵，可通过调节电磁阀的开度或水泵的功率来调节冷却水的流量，从而满足冷凝需求。
脉动热管1的材质可以采用铜，铝，碳钢，不锈钢以及其他金属，以及玻璃，塑料等非金属；其内部工质液体一般为水、甲醇、乙醇、氟利昂，以及各种纳米流体，微米流体等。脉动热管1的结构也不限于图中所示，可以为开环路脉动热管、闭环路脉动热管、环路脉动热管；脉动热管1的形状也不限于图中所示，可以为板式脉动热管和管式脉动热管。
温差发电片2的材质可以为半导体，半导体合金以及其他热电材料。温差发电片2的形状和结构也可以不限于图中所示，形状可以为矩形，圆形等各类形状，结构可以为板式，套式。
压电陶瓷片5的材质可以为钛酸钡系、锆钛酸铅二元系(PZT)，钙钛矿三元系，四元系或多元系以及较为环保的偏铌酸盐系。压电陶瓷的形状和结构也可以不限于图中所示，形状可以为矩形，圆形等各类形状，结构可以为板式，套式。
以上所述并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，其特征在于：包括脉动热管、压电陶瓷片和超声波发生器，压电陶瓷片设于脉动热管的表面；
还包括温差发电片、DC-DC变换器、导热板和指示灯电路，温差发电片通过DC-DC变换器与超声波发生器电性连接，温差发电片与指示灯电路电性连接；
脉动热管包括冷凝段、绝热段和蒸发段，脉动热管的蒸发段嵌入导热板内，导热板的一面贴设于待散热元器件，另一面贴设温差发电片，温差发电片的另一面与空气接触；
所述导热板内形成有多个凹槽，脉动热管的蒸发段设于相应凹槽内；
所述的指示灯电路包括电磁继电器和指示灯，电磁继电器与超声波发生器并联，电磁继电器与温差发电片电性连接，并根据温差发电片的电动势控制电磁继电器的吸合，根据电磁继电器的吸合控制指示灯的开启或关闭；
还包括水箱，脉动热管的冷凝段设于水箱内，水箱内填充冷却水，当指示灯开启时，增加冷却水流量或降低冷却水进口温度，以提升脉动热管的冷凝段换热效果，降低待散热元器件的结点温度。
2.根据权利要求1所述的有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，其特征在于：压电陶瓷片为多个，分别固设于脉动热管的冷凝段、绝热段和蒸发段的表面一侧或表面两侧。
3.根据权利要求1所述的有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，其特征在于：所述温差发电片的另一面设有散热片，散热片包括多根肋片，温差发电片的两面均设有导热硅胶。
4.根据权利要求1所述的有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，其特征在于：所述脉动热管的结构为开式或闭式，形状为板式或管式；所述的脉动热管的弯头为单弯头或者多弯头。
5.根据权利要求1所述的有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，其特征在于：所述脉动热管的内部工质液体为水、甲醇、乙醇、氟利昂或纳米流体、微囊流体、磁流体中的任一种。
6.根据权利要求1所述的有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，其特征在于：所述温差发电片的材质为半导体或半导体合金，结构为板式或套式。
7.根据权利要求1所述的有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，其特征在于：所述压电陶瓷片的材质为钛酸钡系、锆钛酸铅二元系、钙钛矿三元系，四元系或偏铌酸盐系中的任一种，所述压电陶瓷片的结构为板式或套式。
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